西门子6GK7243-1EX01-0XE0产品型号
在工业控制中，用PLC控制的工程在上/下位机通讯上一般采用RS-232/RS-485串口通讯，这种方法对于数据量较大，通讯距离较远，实时性要求高的控制系统，很难满足通讯需要。
近年来随着计算机网络技术的飞速发展,网络化数控已经成为现代制造业发展的必然趋势, 控制系统正向虚拟化、网络化、集成化、分布化和节点智能化的方向发展。[1]许多大型PLC厂商生产的PLC都配备了相应的以太网通信模块，本文讨论了OMRON PLC的以太网通信体系结构，并以CP1H PLC的ENT2l以太网模块为例实现与计算机的通信。
1. Winsock网络通信控件
Winsock控件是不可视控件，它提供了访问TCP和UDP网络服务非常简便的途径，使编程人员开发客户/服务器应用程序时，不必了解TCP的细节或调用低级的Winsock API函数，只通过设置Winsock控件的属性并调用其方法，就可直接连接到一台远程计算机进行，并可实现双向数据交换。
WinSock主要支持两种类型的套接字:①流式套接字（Stream Socket）也称面向连接方式,该方式对应的是TCP协议,其传输特点是通信可靠性高,可以保证数据流的传输是可靠的、有序的、无重复的,可提供双向的数据流,数据被看作字节流,无长度限制。②数据报套接字（Datagram Socket）又称无连接方式,对应的是UDP协议,这种方式不提供数据传输的正确性、有序性和无重复性,因为它支持面向记录的数据流。因此,传输的数据可能丢失和重复,并且接收顺序混乱,报文长度是有限的。考虑到本系统对通信可靠性和正确性的要求很高,选用流式套接字方式。基于Client/Server模式的流式套接字通讯过程如图1所示。
图1 流式套接字进程通讯过程时序图
2.Ethernet网络通信单元的设置
在组建网络时，根据网络类型的不同，网络中的每个节点需要安装相应的通信单元，PLC上需安装Ethernet网络通信模块，例如0MR0N公司的CJ1W—ETN21以太网模块。应用之前必需对网络进行必要的设置，分为开关设置和CPU总线单元系统设置。
开关设置主要包括以下几项内容：确定分配给CJ1W—ETN21单元的内存工作区（CIO区、DM区），该地址在CPU总线区，由UNIT No.开关确定ETN单元的单元号范围为0～F;NODE No.旋转开关设定两组l6进制数作为ETN单元在网络中的节点号，范围为O1～7E;IP地址设置网络号和主机节点号，由32位二进制数组成，分4段以十进制数表示。
CPU总线单元设置主要通过编程设备如CX—Programmer软件或编程器对网络单元进行模式、本地IP地址、子网掩码、FINS端口号、FTP登录名及口令和IP路由器表等项进行设定。若使用FINS/TCP协议，则还需在以太网单元设置中修改FINS/TCP项的部分参数，如：自动分配的FINS节点号、是否保持激活等项。
3.面向上位计算机的通信协议
如图2所示，以太网的分层模型分为物理层（Physical Layer）、网际层（Internet Layer）、传输层（Transpot Layer）和应用层（Application Layer）。其中：传输层可使用无连接的UDP或需建立连接的TCP协议;应用层为FINS（Factory Interface Network Service）协议，FINS协议是由OMRON公司开发的用于工厂自动化控制网络的指令响应系统。主要规定对PLC存储空间的数据读写等操作方法。应用层使用FINS协议，传输层使用TCP协议的通信实现方法称为FINS/TCP方法。
图2 网络的分层结构
FINS协议包含指令系统和响应系统，其命令帧格是由FINS报头、指令代码、响应代码和正文等几部分组成。从上位计算机发出的指令和响应必须符合下面帧的格式要求，并提供合适的FINS报头信息。[3-4]FINS通信服务是通过FINS命令帧和它们对应的响应帧交换实现的。
FINS命令/响应帧格式如图3所示。FINS/TCP header中规定了五种命令，用于客户机（host computer）与服务器（PLC）之间通信：发送客户机节点地址（node address）;（2）发送服务器节点地址（node address）;（3）发送Fins frame;（4）Fins frame发送出错通知;（5）客户机与服务器联机确认。
图3 FINS命令/响应帧格式
4.通信程序的具体实现
在新建VB工程后，需要执行VB工具栏“工程/部件” 命令，将Winsock控件添加到工程中， 并命名为“WskClient”。程序采用TCP/IP协议进行通信，其主要属性设定如下：
With WskClient
.Protocol = sckTCPProtocol ‘采用TCP/IP协议
.LocalPort = 9600 ‘本地计算机端口号
.RemoteHost = txtIP.Text ‘取得远程PLC的IP地址
.RemotePort = txtPort.Text ‘远程PLC端口号
.Bind 9600 ‘指定使用的本地端口
End With
初始化工作完成后向PLC提出连接请求，待PLC接受请求并发送应答信息后，客户端程序依照各种帧格式建立好要发送的信息帧，就可以与PLC进行双向的数据交流了。在这一过程中，可建立发送失败后的重发机制，以增强通信的可靠性。
首先，建立并发送“握手信息”指令（20字节），指明客户机节点号;当计算机接收到PLC返回帧（24字节）后，检查PLC是否收到命令，并取得服务器和客户机节点号。当计算机接收到PLC返回的数据时，会产生DataArrival事件，参数BytesTotal包含接收到的数据字节数。在DataArrival事件中，可以调用GetData方法接收数据。如果接收到Close事件，则用Close方法关闭连接。另外，可用Winsock的State属性来反映当前TCP/IP的连接状态。这里仅列举主要程序如下：
‘向服务器请求连接
WskClient.Connect
TimeDelay 100
Do
DoEvents
Loop Until WskClient.state=sckConnected
‘建立并发送FINS命令帧
Private Sub SendData_Click（）
ReDim SendData （19） As Byte
SendData （0） = &H46‘FINS命令帧报头的第1个字节
……
WskClient.SendData SendData（） ‘发送FINS命令帧
End Sub
‘接收PLC响应帧，并分析数据
Private Sub WskClient_DataArrival（ByVal bytesTotal As Long）
Dim i As Integer
ReDim ArriveData（bytesTotal） As Byte
wsk.GetData ArriveData, vbArray + vbByte, bytesTotal
‘接收数据，保存在ArriveData数组中
For i = 0 To bytesTotal - 1
txtArData.Text = txtArData.Text & " " & ArriveData （i）
Next i
……‘其它数据处理
If ArriveData（7） <> 16 Then
MsgBox“接收信息丢失“
ElseIf SendData（19）= ArriveData （bytesTotal-5） Then
MsgBox“节点地址错误“
End If
End If
在接收信息后,当PLC收到传输过去的信息后,会将对应的命令反馈值传回,这个事件程序内的程序将它显示在文本框中,还可作进一步处理。主程序流程图如图4所示。
图4 程序流程图
若采用UDP协议，则通信的基本过程与TCP相同，只是不需要建立连接。此外,UDP应用程序可以是客户机,也可以是服务器,而不必象TCP应用程序那样必须分别建立客户机程序和服务器程序。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。因此如果网络中设备不是很多，且发送数据量不大时，可选择耗费计算机“资源”更小的UDP协议进行通信。
5.结束语
采用Winsock控件实现的上位机以太网通信程序，已成功应用于数字小样并条机监控系统中，该法简单实用,在不追加投资的情况下,实现车间设备的网络数据实时监控的功能，达到了理想的效果。而且以VB作为监控软件的开发平台，软件的二次开发不受限制，节约成本，并可根据需要随时对程序进行升级。为实现对控制系统进行有效的信息管理与监控，基于以太网的PLC控制系统必将有更为广泛的应用，本文的论述对解决这类问题提供了一定参考价值。
当今世界上精密加工技术发展很快,新的加工方法和设备层出不穷,计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样. 实现精密和超精密切削加工有三种方法: (1) 采用和研制高精度加工设备;(2) 采用新的切削工具材料; (3) 利用加工与测量控制一体化技术. 前两种方法成本较高,而后一种方法成本较低,具有广阔的前景. 在后一种方法中,除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外,还有一项重要内容就是微进给机构的精度及其控制精度. 笔者在控制精密磨削的研究中,利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构,在滚珠丝杠确定后,步进电机的控制精度成为了主要矛盾.
1 步进电机的控制
步进电机在不失步的正常运行时,其转角严格地与控制脉冲的个数成正比,转速与控制脉冲的频率成正比. 可以方便地实现正反转控制及调整和定位. 由于步进电机和负载的惯性,它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动,指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行. 因此,必须实现步进电机的自动升降速功能. 为了实现速度的变化,输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频这些脉冲序列,可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生,也可以由微型计算机产生. 对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说,控制逻辑是固定
的,即控制电路一经固定,其控制逻辑也就固定了.
如果要改变控制逻辑和控制方案,必须改变电路结构和元件参数,而使用计算机控制,不必改动硬件电路,只要修改程序,就可以改变控制方案. 且可以从多种控制方案中,选取一种佳方案进行控制和调节. 也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制. 利用计算机控制的形式也很多,本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制.
2 PLC 系统组成及位控单元的工作原理
本研究所利用的PLC 系统的组成包括如下七大模块:电源,CPU ,位控单元, I/ O 单元,A/ D ,D/ A 单元,如图1 所示. 其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机) 与电机驱动器联结时,输出脉冲序列控制电机的转速与转角. 进给机构可以是2 轴型,也可以是4 轴型. 本文采用的是前者,即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给,如图2
所示. 具体地说,位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种,如E 点控制(单速度控制) ,如图3(a) 所示;P 点控制(多级速度控制) ,如图3 (b) 所示; 线性加/ 减速和S型加/ 减速,图3 ( a ) , ( b)为线性加/ 减速,S型如图3 (c) 所示. 除此之外还有位置控制和相对位置控制等. 表1 给出了E点控制不同模式的控制码(P 点与其相同) .
3 磨削加工PLC 控制原理
如图4 所示, PLC 可以控制变频器、传感器、步进电机. 总控制程序流程图如图5 所示. 其中两个步进电机是利用PLC 的位控单元控制的. 在进行精密磨削过程中,横向进给将是十分重要的,PLC 的位控单元能较jingque地控制步进电机的转角,从而使滚珠丝杠获得jingque定位. 由于PLC 位控单元的控制方法有多种,对于磨削加工来讲,横向进给量不能大于215μm ,通过实验的方法可以找出佳方案. 这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用. 首先,设置原点,利用光栅
尺粗对刀,测量出对刀位置距原点的距离. 为防滚珠丝杠出现爬行现象,工作台从原点出发,经过一段距离以后开始自动加/ 减速. 此时,只要给定起始速度,目标速度,加速/ 减速时间以及位置要求值,并设定控制码即可实现上述功能,相关程序如图6 所示. 如果假设滚珠丝杠的螺距为d ,步进电机的步距角为α°;进给速度为v (mm/ s) ;行程为s (mm) ;则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度) 为f = 360 v/αd (Hz) ;总脉冲数(即程序中的位置要求值) 为F =360s/da(个) .
4 结束语
PLC 位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点. 因此,它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义.
